Comment placer deux ou plusieurs antennes dans une conception

Concevoir un PCB avec plusieurs antennes n'est pas simple . Cet article met en évidence certains des facteurs qui affectent le comportement des antennes et de leurs signaux RF et qui doivent être pris en compte dans la disposition du PCB.

Placer une antenne dans une conception nécessite toujours des précautions, mais lorsqu'il y a deux antennes ou plus dans la conception, il est encore plus important de comprendre comment les antennes rayonnent, comment elles fonctionneront ensemble et comment leurs positions relatives auront un impact sur le signal.

En règle générale, les antennes CMS sont conçues pour coexister à proximité d'autres composants, à condition que certaines règles de base soient respectées.

Le conseil est de garder les antennes à l'écart des autres composants bruyants et de permettre un plan de masse sous l'antenne, pour lui permettre de rayonner efficacement. Il est important de garder l'espace sous l'antenne dégagé tout au long de l'empilement du PCB.

Pour concevoir un appareil avec plusieurs antennes différentes à l'intérieur, vous voudrez savoir comment plusieurs antennes coexisteront et fonctionneront dans un seul système sur le PCB. L'exigence pour divers systèmes radio de fonctionner avec des antennes à proximité les unes des autres est appelée « coexistence dans l'appareil ».

Dans certains cas, deux antennes sont utilisées pour travailler ensemble sur la même fréquence dans une configuration en diversité, ce qui fournira une transmission plus forte qu'une seule antenne. Dans d'autres cas, un appareil a besoin de plus d'une connexion sans fil fonctionnant sur différentes fréquences et la conception doit permettre une certaine séparation entre celles-ci, pour leur permettre de fonctionner indépendamment en « coexistence ».

Avec une bonne conception, vous pouvez obtenir des performances et une fiabilité élevées pour toutes les antennes de la carte. L'objectif du concepteur est de placer les antennes de manière à obtenir une isolation entre toutes les antennes et à leur permettre de fonctionner correctement ensemble.

Modèles de rayonnement

Chaque antenne a son propre diagramme de rayonnement, qui sera indiqué sur la fiche technique du fabricant, car l'antenne rayonnerait dans des conditions parfaites, par exemple dans une chambre anéchoïque.

Les diagrammes de rayonnement sont généralement représentés sous forme de motif 3D et sous forme de coupe transversale bidimensionnelle de ce motif. L'antenne rayonnera autour d'un axe qui s'étend le long de la longueur de l'antenne, et l'énergie électrique de l'antenne est réfléchie le plus fortement dans une direction perpendiculaire à cet axe. C'est la polarisation de l'antenne.

Le diagramme de rayonnement d'une antenne est normalement mesuré au centre de la bande de fréquences où l'antenne doit être utilisée.

Figure 1. Diagramme d'antenne 3D pour une antenne LTE à 1990 MHz. (Source :Antenova)

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Figure 2. Diagramme d'antenne pour la même antenne LTE à 1990 MHz, coupe transversale. (Source :Antenova)

Paires de diversité

La diversité est une technique d'antenne où deux antennes sont utilisées ensemble sur la même fréquence pour créer une connexion sans fil plus fiable. C'est une excellente solution pour les appareils mobiles sans fil qui se déplacent dans l'espace libre, car les deux antennes travaillant ensemble en tandem sont plus susceptibles de fournir une liaison fiable lorsque l'appareil se déplace.

Avec la diversité, la première antenne est l'antenne principale et la deuxième antenne est l'antenne de diversité. Les deux antennes peuvent partager le même plan de masse et sont placées dans des zones spatiales différentes, ce qui réduit le « couplage » - un phénomène où les deux antennes reflètent des signaux similaires.

Dans une configuration en diversité, les deux antennes émettent simultanément, mais pointant dans des directions différentes. Le récepteur prendra alors le plus fort des deux signaux, ce qui améliorera la fiabilité du signal reçu. La paire d'antennes peut être placée sur les coins opposés ou les côtés opposés du PCB.

Lorsque les antennes sont utilisées dans une configuration en diversité, elles sont placées pour réduire le couplage - c'est-à-dire que les deux antennes sont placées de sorte que leurs diagrammes de rayonnement soient complètement différents l'un de l'autre.

Polarisation

La polarisation d'une antenne est parallèle au grand axe de l'antenne, et l'antenne rayonne son énergie perpendiculairement à cet axe, avec des zones de puissance nulle à chaque extrémité de l'antenne.

Pour la meilleure corrélation croisée, la paire d'antennes de diversité doit être placée à une polarisation croisée, une polarisation différente dans l'espace et en polarité. Le récepteur prendra le signal le plus fort de l'une ou l'autre des antennes. Cela permet d'obtenir une réception plus forte que celle qui peut être obtenue avec une seule antenne. En pratique, cela signifie généralement que les deux antennes seront placées à 90° l'une de l'autre, ce qui permet d'obtenir une polarisation différente et envoie des signaux plus fiables au récepteur lorsque les appareils se déplacent.

Réduire les effets de couplage

Le couplage antenne à antenne est un phénomène naturel dans un appareil compact. Cela diminue le diagramme de rayonnement et augmente les interférences entre canaux subies par chaque antenne. Il modifie également les caractéristiques d'entrée de l'antenne. Vous pouvez minimiser les effets de couplage en gravant via sur le plan de masse.

Distance entre les antennes

La distance entre les deux antennes de diversité doit être d'au moins un quart de longueur d'onde, et la distance entre elles affectera le signal.

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Figure 3 :Exemple – Le diagramme montre l'isolement en fonction de la distance entre l'antenne principale et l'antenne de diversité. 40 mm, 25 mm et 20 mm sont présentés à titre de comparaison. Cet exemple montre l'antenne Integra SR4L049 d'Antenova. (Source :Antenova)

Isoler les antennes à différentes fréquences

Les antennes qui fonctionnent sur des fréquences différentes doivent être placées de manière à ne pas interférer les unes avec les autres. En termes d'antenne, elles doivent être isolées électriquement les unes des autres. L'objectif est de placer chaque antenne de manière à ce qu'elle atteigne des performances élevées, cependant l'isolement peut réduire la puissance de rayonnement de l'antenne. La valeur d'isolement est mesurée par le coefficient S21, avec un analyseur de réseau.

Il existe plusieurs façons d'améliorer l'isolement entre les antennes. Le simple fait de placer les antennes plus éloignées, en tenant compte de leurs diagrammes de rayonnement, créera une certaine séparation, ce qui aidera.

Placer les antennes de manière à ce qu'il y ait une isolation entre chaque paire d'antennes les aidera à rayonner indépendamment, mais avec une certaine réduction de la puissance de transmission de chacune.

L'option suivante consiste à utiliser un filtre pour réduire l'efficacité d'une antenne en fréquence requise par l'antenne opposée.

Figure 4. L'orientation du faisceau est une technique d'antenne pour améliorer l'isolement et la corrélation croisée dans les applications de diversité. (Source :Antenova)

ECC (coefficient de corrélation d'enveloppe)

Pour vérifier la capacité d'isolement d'un système d'antenne MIMO, l'ECC est un critère de performance important dans les systèmes d'antenne MIMO à étudier. L'ECC peut être calculé sur la base des paramètres S ou des caractéristiques de champ lointain du système d'antenne. L'ECC basé sur les paramètres de champ lointain considère la direction du faisceau rayonné de chaque antenne dans le système d'antenne MIMO, tandis que l'ECC basé sur les paramètres S considère les caractéristiques des ports des deux antennes.

L'ECC basé sur les propriétés du champ lointain est considéré comme plus précis dans une analyse d'isolement, bien qu'il soit plus difficile en raison de la nécessité de mesurer les diagrammes de rayonnement de l'antenne. Une valeur ECC inférieure à 0,5 est généralement considérée comme acceptable pour un système d'antenne MIMO.

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Radiation vs. perte de retour
Figure 5 :L'image montre les tracés de rayonnement pour deux antennes en parallèle et à angle droit, et comment la deuxième configuration montre un signal plus cohérent. (Source :Antenova)

Conclusion

De nombreux appareils mobiles utilisent plusieurs connexions sans fil. Il peut s'agir de n'importe quelle combinaison d'antennes de positionnement 4G/LTE, MIMO/WLAN, Bluetooth ou GNSS, et il peut facilement y avoir cinq ou six antennes au sein d'une même conception - par exemple des antennes de diversité pour LTE/4G pour fournir la liaison cellulaire, une connexion Wi-Fi. Antenne Fi pour Bluetooth et antenne GNSS pour le positionnement. Dans ce cas, le but est que toutes les antennes fonctionnent côte à côte, mais sans interférer les unes avec les autres, dans l'environnement multi-systèmes. Si la coexistence n'est pas envisagée, il se peut qu'un signal LTE/4G puissant bloque le signal d'une antenne plus petite, telle qu'une petite antenne Wi-Fi.

Concevoir un PCB avec plus d'une antenne n'est pas simple. Cet article met en évidence certains des facteurs qui affectent le comportement des antennes et de leurs signaux RF et qui doivent être pris en compte dans la disposition du PCB. Pour être sûr que les composants fonctionnent tous correctement ensemble, le PCB doit être envoyé pour un test en direct dans une chambre anéchoïque. Il mettra en évidence toutes les modifications nécessaires à la conception et montrera comment les antennes se comportent ensemble et prédit les performances réelles de l'appareil.

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Geoff Schulteis est ingénieur senior en applications d'antennes chez Antenova Ltd. Geoff a plus de 20 ans d'expérience dans la conception, l'intégration et les tests d'antennes, et il dirige actuellement le support technique pour les clients d'Antenova en Amérique du Nord. Il est un professionnel de l'ingénierie des antennes avec plus de 20 ans d'expérience dans la conception, l'intégration et le test de systèmes d'antennes pour les produits de consommation, de la R&D à la fabrication et au déploiement commercial.

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